촉매는 반응에 참여 안 하는데 왜 계속 교체해야 하나요?

Question

촉매가 반응 전후로 변하지 않는다고 배웠는데 산업 현장에서는 촉매를 주기적으로 교체합니다. 이론과 실제가 다른 이유, 촉매 비활성화가 일어나는 원리가 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

이론적으로 촉매는 화학 반응 전후에 자신은 변하지 않고 반응 속도를 변화시키는 물질이지만, 실제 산업 현장에서는 시간이 지남에 따라 촉매의 기능이 떨어지는 촉매 비활성화 현상이 발생하므로 주기적으로 교체해야 합니다. ​이론적으로 불순물이 없는 순수한 반응물과 이상적인 환경을 전제로 하지만, 실제 산업 반응기 내부에서는 다양한 변수가 작동하여 촉매가 열화됩니다.

촉매 비활성화가 일어나는 주요 원인인 피독은 반응물에 섞여 들어오는 미량의 불순물이 촉매 표면의 반응이 일어나는 자리에 강하게 결합하는 현상입니다. ​불순물이 활성 자리를 영구적 또는 반영구적으로 점유해 정작 반응해야 할 물질이 촉매와 접촉하지 못하게 만듭니다.

또한, 코킹 및 침적은 ​반응 과정에서 발생하는 원치 않는 부반응으로 인해 탄소 탄화물이나 중합체 등의 부산물이 촉매 표면에 쌓이는 현상입니다. ​촉매 내부의 미세한 구멍을 막아 반응물이 들어가지 못하도록 물리적으로 차단합니다.

이외에도 소결은 ​고온의 반응 환경에서 장시간 작동할 때, 촉매 표면에 분산되어 있던 미세한 나노 입자들이 서로 결합하여 커다란 덩어리로 뭉쳐지는 현상입니다. ​입자가 뭉치면 반응물과 만나는 총 표면적이 급격히 줄어들어 촉매의 효율이 크게 떨어집니다.

공정에 따라 코킹이 원인인 경우에는 공기를 넣어 탄소를 태워 없애는 등 촉매 재생 과정을 통해 수명을 연장하기도 합니다. 하지만 재생 과정을 반복하더라도 피독이나 소결로 인한 근본적인 구조 손상은 되돌릴 수 없기 때문에, 경제성과 반응 수율을 유지하기 위해 주기적인 전면 교체가 필수적입니다.

Answer 2

안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 촉매가 반응 전후에 변하지 않는다는 말은 이상적인 반응 조건에서 촉매의 화학적 순환이 끝난 뒤 원래 상태로 재생된다는 뜻입니다. 따라서 촉매가 반응물처럼 소모되지 않는다는 설명은 기본적으로 맞지만, 실제 산업 현장에서는 촉매가 영원히 같은 성능을 유지하는 것은 아닙니다. 반응이 반복되는 동안 촉매의 구조가 변하거나 다른 물질이 촉매 표면을 막으면서 점차 활성이 떨어지기 때문에 주기적인 교체나 재생이 필요합니다.

대표적인 원인이 촉매 표면의 오염과 피독이라고 할 수 있는데요, 산업용 촉매는 대부분 촉매 표면에서 반응물이 흡착되고 반응한 뒤 생성물이 떨어져 나가는 과정을 반복합니다. 그런데 반응물에 포함된 황이나 중금속 같은 불순물이 촉매의 활성점에 강하게 달라붙으면 반응물이 원래처럼 활성점에 접근하지 못하게 됩니다. 이를 촉매 피독이라고 하며, 반응 중 생성된 탄소가 촉매 표면에 쌓이는 코킹도 중요한 비활성화 원인입니다. 자동차 배기가스 정화 촉매나 석유화학 공정의 촉매에서도 이러한 현상이 문제가 될 수 있습니다.

촉매 자체의 구조가 변하는 경우도 있는데요, 촉매는 높은 온도에서 장시간 사용되는 경우가 많기 때문에 촉매 입자들이 서로 뭉쳐 입자가 커질 수 있습니다. 그러면 반응이 일어나는 표면적이 감소하면서 활성점의 수가 줄어드는데, 변화는 단순히 표면을 깨끗하게 하는 것만으로 원래의 활성을 회복하기 어려울 수 있습니다. 이외에도 촉매가 화학적으로 직접 소모되는 경우도 있습니다. 교과서에서 말하는 촉매는 반응 과정에서 중간체를 형성하더라도 최종적으로 재생되기 때문에 전체 반응식에서는 소모되지 않지만 실제 공정에서는 부반응이 함께 일어나거나 촉매가 반응물이나 생성물의 불순물과 반응하면서 일부가 비가역적으로 변할 수 있습니다. 따라서 촉매는 절대로 변하지 않는다라기보다는 주된 촉매 순환에서는 재생되지만 장시간 사용하면 다양한 원인으로 활성과 선택성이 감소할 수 있다고 보시면 될 것 같습니다. 감사합니다.